Rôle des éléments d’alliage sur les propriétés
Alliages fer-silicium

L’aimantation des substances ferromagnétiques constitue encore aujourd’hui la seule source d’induction magnétique économiquement acceptable. De ce fait, la tôle magnétique Fe-Si est le matériau essentiel pour la production, le transport et la transformation de l’énergie électrique. Deux grandes familles de tôles magnétiques sont utilisées pour la réalisation des circuits magnétiques des équipements électriques dont le principe de construction est basé sur l’action d’un champ magnétique.

Les tôles à grains orientés (GO) servent presque exclusivement à la construction des transformateurs. Découvertes dans les années 30, produites industriellement à partir des années 40 aux États‐Unis et à partir des années 50 en Europe, elles n’ont jamais cessé, depuis, de progresser sur le plan des performances magnétiques et font figure, aujourd’hui, de matériau noble. C’est la texture qui leur confère des propriétés magnétiques exceptionnelles quand les lignes d’induction sont parallèles à la direction de laminage, qui est la direction de facile aimantation. Le taux de réussite de cette texture, appelée texture de Goss du nom de son inventeur ou cube sur arête ou {100} <001> en notations cristallographiques, était initialement médiocre. Il s’est constamment amélioré grâce à de nombreux travaux scientifiques et à des mises au point industrielles qui se poursuivent encore aujourd’hui. La texture atteint maintenant un degré de perfection probablement inégalé dans l’ensemble des produits industriels, puisque la désorientation moyenne des grains qui composent une tôle de la meilleure qualité est inférieure à 5^o.

Le prestige des tôles GO a largement éclipsé celui des autres tôles magnétiques, qualifiées, par opposition, de non orientées (NO). Parmi ces tôles NO, on trouve une grande variété de produits répondant à des besoins divers. Mais il faut surtout bien se garder de considérer ces tôles NO comme un sous-produit des tôles magnétiques.

Les tôles GO et les tôles NO correspondent en réalité à des utilisations entièrement distinctes. Les tôles magnétiques NO sont surtout utilisées pour la construction des machines tournantes (alternateurs, générateurs, moteurs...) alors que les tôles GO constituent les circuits magnétiques des machines statiques (transformateurs de puissance ou de distribution). Il n’y a pas concurrence entre elles, mais complémentarité. On ne saurait se passer de tôles NO en construction électrique. La consommation de tôles NO est trois à quatre fois plus importante que celle de tôles GO.

• Dans une machine électrique, le circuit magnétique permet des échanges d’énergie entre les champs électriques et les champs magnétiques par l’intermédiaire de la loi de Faraday :

  avec :

  v

   : 

  force électromotrice induite
  

   : 

  vitesse de variation du flux d’induction magnétique .
  

  Pour le constructeur électricien, le matériau le plus intéressant est celui qui est capable de transporter le flux d’induction magnétique maximal au moindre coût. C’est pourquoi, il évalue l’efficacité intrinsèque d’un matériau magnétique selon deux paramètres principaux :

  • d’une part, le niveau d’induction accessible, qui est limité par la polarisation magnétique à saturation  ; cette grandeur caractéristique du matériau doit être aussi élevée que possible, car elle influence directement l’induction de travail, c’est‐à‐dire la puissance volumique de la machine ;

  • d’autre part, les pertes totales massiques, qui accompagnent inévitablement le passage du flux, entraînant un échauffement de la machine et par conséquent, une diminution du rendement.

  Pour réduire les pertes par courants induits générés par les variations du flux d’induction, l’emploi de circuits magnétiques massifs est à proscrire. Les circuits réalisés par empilement de feuilles de faible épaisseur ne sont efficaces que si les tôles superposées sont isolées électriquement l’une de l’autre.

• Un matériau magnétique doux pour usage électrotechnique se caractérise par quatre constantes, fonction de la composition de l’alliage, qui sont :

  • la polarisation magnétique à saturation   ;

  • la résistivité électrique ρ ;

  • la constante d’anisotropie magnétocristalline K₁ ;

  • la constante de magnétostriction λ₁₀₀ .

  Le matériau idéal serait celui qui posséderait une polarisation magnétique à saturation 1.2.1 et une résistivité électrique 1.1.3 très élevées et, simultanément, des constantes d’anisotropie magnétocristalline 1.2.3 et de magnétostriction 1.2.4 voisines de zéro. Afin de s’approcher du matériau idéal, il est possible, par addition d’éléments d’alliage au fer, de modifier les constantes du matériau.